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EMI及其共模电感

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标    签: EMI;电磁辐射保护;共模电感

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对于共模电感的原理及其作用作了一个较为详细的阐释,于初学者而言有一定的帮助作用

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EMI 和共模电感 首先是共模干扰和差模干扰的概念。 差模干扰: 差模干扰是指存在于任何两条供 电线或输出线之间的射频噪声分量。 在离线开关电源中, 是指输出线的正极和负 极两条线之间的干扰,干扰电压与供电线输入或输出电压串联而起作用。 共模干扰:共模干扰是存在于任何或全部供电线或输出线与公共地平面(机壳、 箱或接地返回线)中间的射频噪声分量的干扰。 图中: C105\C106\C102\C103 为 Y 电容,L1 为共模扼流圈(共模电感):主要针 对共模噪声。 对于 Y 电容,选型面 Y 太窄,基本是没有选的。一般是 2 个或者 4 个。容值大小 的选型也不多,主要考虑电源的漏电流,在漏电流允许的情况下越大 EMI 越好。 共模扼流圈: 用高磁导率值, 可以使得体积更小, 圈数更少。 现在磁导率为 10000 的材料已经很成熟了。 这个值,取mH级别的。百瓦级别的电源, 几个 mH,或者 10mH 左右。 共模扼流圈取值 1.5- 5 mH,差模扼流圈取值为 10- 50uH;。 共模电感是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件,它由两个尺寸相同, 匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上,形成一个四端器件, 要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用,而对于差模信号呈现出很小的漏 电感几乎不起作用。原理是流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加,从而具有 相当大的电感量,对共模电流起到抑制作用,而当两线圈流过差模电流时,磁 环中的磁通相互抵消,几乎没有电感量,所以差模电流可以无衰减地通过。因 此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号,而对线路正常传输的差 模信号无影响。 共模电感在制作时应满足以下要求: 1)绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘, 以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝 间不发生击穿短路。 2)当线圈流过瞬时大电流时,磁芯不要出现饱和。 3)线圈中的磁芯应与线圈绝缘, 以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。 4)线圈应尽可能绕制单层,这样做可减小线圈的寄生电容,增强线圈对瞬时过 电压的而授能力。 通常情况下, 同时注意选择所需滤波的频段, 共模阻抗越大越好, 因此我们 在选择共模电感时需要看器件资料, 主要根据阻抗频率曲线选择。 另外选择时注 意考虑差模阻抗对信号的影响,主要关注差模阻抗,特别注意高速端口。 。 磁环类型的:铁芯材料主要有有纳米晶、铁氧体的。 纳米晶铁芯优点: 高初始导磁率 ( 这个是共模电感的基本要求 ) 、高饱和磁感应强 度、温度较之铁氧体稳定(可以理解为温升小),频率特性比较灵活,因为导磁 率高,很小就可以做出很大的感量,适应频率比较宽; 纳米晶其整体优势:因为初始导磁率是铁氧体的 5-20 倍,对传导干扰的抑制作 用远大于铁氧体; 纳米晶的高饱和磁感应强度比铁氧体的好, 所以在大电流下不 易饱和; 温升较之 UF系列的要低, 室温下要低将近 10 度;结构上的灵活令其适 应性好,从加工工艺上进行改变,即可适应不同需求;分布电容会更小,因为绕 线的面积更宽,体积也相对较小;环行所用匝数少一点,分布参数小一点,效率 占优。 差模电感, 由于容易饱和, 差模电感一般不使用, 差模干扰主要还是靠 X 电容滤 除。若使用也只是 uH 级别的,串联在正和负输入线上。 C101\C104为 X 电容,一般也是选取两个,在 EMI 滤波器的最前端和最后端。取 值面也很窄。在实验室调试即可。 共模电感的工作原理: 计算机内部的主板上混合了各种高频电路、数字电路和模拟电路,它们工 作时会产生大量高频电磁波互相干扰,这就是 EMI。EMI 还会通过主板布线或外 接线缆向外发射, 造成电磁辐射污染, 不但影响其他的电子设备正常工作, 还对 人体有害。 PC板卡上的芯片在工作过程中既是一个电磁干扰对象,也是一个电磁干扰 源。总的来说, 我们可以把这些电磁干扰分成两类: 串模干扰 ( 差模干扰 ) 与共模 干扰 ( 接地干扰 ) 。以主板上的两条 PCB走线 ( 连接主板各元件的导线 ) 为例,所谓 串模干扰, 指的是两条走线之间的干扰; 而共模干扰则是两条走线和 PCB地线之 间的电位差引起的干扰。 串模干扰电流作用于两条信号线间, 其传导方向与波形和信号电流一致; 共 模干扰电流作用在信号线路和地线之间, 干扰电流在两条信号线上各流过二分之 一且同向,并以地线为公共回路 串模干扰和共模干扰 为了消除信号线上输入的干扰信号及感应的各种干扰, 我们必须合理安排滤波电 路来过滤共模和串模的干扰,共模电感就是滤波电路中的一个组成部分。 共模电感实质上是一个双向滤波器: 一方面要滤除信号线上共模电磁干扰, 另一 方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰, 避免影响同一电磁环境下其他电子设备 的正常工作。 上图是我们常见的共模电感的内部电路示意图, 在实际电路设计中, 还可以 采用多级共模电路来更好地滤除电磁干扰。 此外,在主板上我们也能看到一种贴 片式的共模电感,其结构和功能与直立式共模电感几乎是一样的。 二、从工作原理看共模电感 共模电感滤波电路 上图是包含共模电感的滤波电路, La 和 Lb 就是共模电感线圈。这两个线圈 绕在同一铁芯上, 匝数和相位都相同 ( 绕制反向 ) 。这样, 当电路中的正常电流流 经共模电感时, 电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消, 此 时正常信号电流主要受线圈电阻的影响 ( 和少量因漏感造成的阻尼 ) ;当有共模电 流流经线圈时, 由于共模电流的同向性, 会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈 的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模电流,达到 滤波的目的。 事实上,将这个滤波电路一端接干扰源, 另一端接被干扰设备, 则 La 和 C1, Lb 和 C2就构成两组低通滤波器, 可以使线路上的共模 EMI 信号被控制在很低的 电平上。该电路既可以抑制外部的 EMI信号传入, 又可以衰减线路自身工作时产 生的 EMI 信号,能有效地降低 EMI 干扰强度。 小知识:漏感和差模电感 对理想的电感模型而言,当线圈绕完后,所有磁通都集中在线圈的中心内。 但通常情况下环形线圈不会绕满一周,或绕制不紧密,这样会引起磁通的泄漏。 共模电感有两个绕组, 其间有相当大的间隙, 这样就会产生磁通泄漏, 并形成差 模电感。因此,共模电感一般也具有一定的差模干扰衰减能力。 在滤波器的设计中, 我们也可以利用漏感。 如在普通的滤波器中, 仅安装一 个共模电感, 利用共模电感的漏感产生适量的差模电感, 起到对差模电流的抑制 作用。有时,还要人为增加共模扼流圈的漏电感,提高差模电感量,以达到更好 的滤波效果。 共模滤波电感器不是电感量越大越好 主要看你要滤除的共模干扰的频率范围 , 先说一下共模电感器滤波原理 共模电感器对共模干扰信号的衰减或者说滤除有 两个原理 , 一是靠感抗的阻挡作用 , 但是到高频电感量没有了靠的是磁心的损耗 吸收作用 ; 他们的综合效果是滤波的真实效果 . 当然在低频段靠的是电感量产生 的感抗 . 同样的电感器磁心材料绕制成的电感器 , 随着电感量的增加 ,Z 阻抗与频 率曲线变化的趋势是 随着你绕制的电感器的电感量的增加 ,Z 阻抗峰值电时的频率就会下降 , 也就是 说电感量越高所能滤除的共模干扰的频率越低 , 换句话说对低频共模干扰的滤除 效果越好 , 对高频共模信号的滤除效果越差甚至不起作用 . 这就是为什么有的滤波器使用两级滤波共模电感器的原因 一级是用低磁导率 ( 磁导率 7K以下铁氧体材料甚至可以使用 1000 的 NiZn 材料 ) 材料作成共模滤波 电感器 , 滤出几十 MHz或更高频段的共模干扰信号 , 另一级采用高导磁材料 ( 如磁 导率 10000\15000 的铁氧体材料或着非晶体材料 ) 来滤除 1MHz以下或者几百 kHz 的共模干扰信号 . 因此首先要确认你要滤除共模干扰的频率范围然后再选择合适的滤波电感器材 料.

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